원자현미경에 대하여

AFM(Atomic Force Microscope):가장 보편적인 원자현미경 STM의 가장 큰 결점은 전기적으로 부도체인 시료는 볼 수 없다는 것인데, 이를 해결하여 원자현미경을 한층 유용하게 만든 것이 AFM이다. AFM에서는 텅스텐으로 만든 바늘 대신에 마이크로머시닝으로 제조된 캔틸레버(Cantilever)[4]라고 불리는 작은 막대를 쓴다. 캔틸레버는 길이가 100μm, 폭 10μm, 두께 1μm로서 아주 작아 미세한 힘에 의해서도 아래위로 쉽게 휘어지도록 만들어졌다. 또한 캔틸레버 끝 부분에는 뾰족한 바늘이 달려 있으며, 이 바늘의 끝은 STM의 탐침처럼 원자 몇 개 정도의 크기로 매우 첨예하다. 이 탐침을 시료 표면에 접근시키면 탐침 끝의 원자와 시료표면의 원자 사이에 서로의 간격에 따라 끌어당기거나(인력) 밀치는 힘(척력)이 작용한다. 그림 2. AFM의 구조도. 캔틸레버라고 불리는 작은 막대 끝부분에 달려있는 탐침과 시료 표면의 원자 사이의 힘에 의해 캔틸레버가 아래 위로 휘게 되는데, 이때 레이저 광선이 캔탈레버 윗면에서 반사되는 각도를 포토다이오드로 측정함으로써 표면의 굴곡을 알아낸다. Contact mode의 AFM에서는 척력을 사용하는데 그 힘의 크기는 1∼10nN 정도로 아주 미세하지만 캔틸레버 역시 아주 민감하므로 그 힘에 의해 휘어지게 된다. 이 캔틸레버가 아래위로 휘는 것을 측정하기 위하여 레이저 광선을 캔틸레버에 비추고 캔틸레버 윗면에서 반사된 광선의 각도를 포토다이오드(Photodiode)를 사용하여 측정한다. 이렇게 하면 바늘 끝이 0.01nm 정도로 미세하게 움직이는 것까지 측정해낼 수 있다. 바늘 끝의 움직임을 구동기에 역되먹임(feedback)하여 AFM의 캔틸레버가 일정하게 휘도록 유지시키면 탐침 끝과 시료 사이의 간격도 일정해지므로 STM의 경우에서와 같이 시료의 형상을 측정해낼 수 있다. Non-contact mode의 AFM에서는 원자 사이의 인력을 사용하는데 그 힘의 크기는 0.1∼0.01nN 정도로 시료에 인가하는 힘이 contact mode에 비해 훨씬 작아 손상되기 쉬운 부드러운 시료를 측정하는데 적합하다. 원자간 인력의 크기가 너무 작아 캔틸레버가 휘는 각도를 직접 잴 수가 없기 때문에 non-contact mode에서는 캔틸레버를 고유진동수 부근에서 기계적으로 진동 시킨다. 시료표면에 다가가면 원자간의 인력에 의해 고유진동수가 변하게 되어 진폭과 위상에 변화가 생기고 그 변화를 lock-in amp로 측정한다. 원자간에 상호 작용하는 힘은 시료의 전기적 성질에 관계없이 항상 존재하므로 도체나 부도체 모두를 높은 분해능으로 관찰 할 수 있다. 그림 3. Epitaxial 실리콘의 표면을 AFM으로 찍은 사진. 개개의 원자 층이 들쭉날쭉한 모양을 이루며 쌓여있는데 각층의 높이는 0.14nm이다.(0.75×0.75m) 4. LFM(Lateral Force Microscope): 표면의 마찰력을 재는 원자현미경 그림 4. 유리가 코팅된 나일론 화학용기의 표면을 원자현미경으로 찍은 사진. 왼쪽이 시료의 형상을 나타내는 AFM 사진이고 오른쪽이 표면의 마찰력을 나타내는 LFM 사진으로서 이두개의 사진을 동시에 얻을 수 있다. 유리가 입혀진 부분은 마찰력이 작고(어두운 부분) 유리가 잘 입혀지지 않은 부분은 마찰력이 큰 것(밝은 부분)을 볼 수 있다. (5×5m) Contact mode의 AFM에서 탐침이 시료 표면을 좌우로 주사할 때 캔탈레버는 표면의 높낮이에 따라 아래위로 휠뿐만 아니라 탐침과 시료 표면 사이의 수평 마찰력에 의해 옆으로 비틀리게 된다. 그 비틀리는 정도는 캔틸레버에서 반사되어 나오는 레이저 광선의 수평성분 각도에 비례하므로 쉽게 측정될 수 있다. 이렇게 시료표면의 마찰력을 측정하는 장치가 LFM이다.[5] 물질의 성분에 따라 마찰력이 다르므로 LFM을 사용하면 시료를 구성하는 여러 종류의 물질 분포 및 각 물질의 상대적 마찰력의 크기를 알 수 있다. 같은 물질인 경우에도 어떤 표면 처리가 마찰력을 크게, 혹은 작게 할 수 있는가를 알 수 있으므로 마찰, 마모 등을 연구하는데 LFM이 유용하게 쓰여진다.   7. EFM(Electrostatic Force Microscope):시료의 전기적 특성을 재는 원자현미경 EFM은 정전기력을 사용하여 표면전위[8], 표면전하[9], dielectric constant[10] 등 시료의 전기적 특성을 측정하는 장치이다. 이러한 전기적 특성을 재기 위하여 EFM에서는 시료와 탐침간에 주파수 ω, 진폭 Vac 의 정현파 교류전압과 Vdc 의 직류전압을 걸어준다(그림 7 참조). 여기서 주파수 ω는 캔틸레버의 고유진동수 보다 낮은 값으로 수십 KHz 정도이다. 이때 시료와 탐침을 평행한 두 개의 전극으로 간주하면, 탐침에 가해지는 정전기력 F 는 다음과 같이 표시될 수 있다. F`=`- dU over dz `, ~~U`=` 1 over 2 `CV^2 z는 탐침과 시료표면 사이의 거리이고, C는 그 두 전극 사이의 capacitance, 그리고 V는 두 전극간의 전압으로서 시료의 표면전위를 Vs라 하면 V는 다음과 같이 표시될 수 있다. V(t) `=`V_dc `-`V_s `+`V_ac ``rmsin ` omega `t 여기서 탐침에 가해지는 정전기력 F가 전위차 V의 제곱에 비례한다는 것에 주목할 필요가 있으며, 이 때문에 외부에서 가해준 주파수 ω 외에도 그의 두 배가 되는 주파수 2ω성분의 힘이 캔틸레버에 작용하게 된다. &F(t`) `=` C over 2z `[2(V_dc `-`V_s )^2 `+`V_dc ^2 ]## &~~~~~+ `2C over z `(V_dc `-`V_s )V_ac `sin ` omega `t## &~~~~~+ `C over 2z `V_ac^2 `cos2` omega `t 그림 7. EFM의 원리도, 두 개의 lock-in amp 를 써서 하나의 표면의 형상에 대한 신호를 알아 내고 다른 하나는 표면 전압에 대한 신호를 알아본다. 그림 8. ASIC 소자를 원자 현미경으로 찍은 사진. 왼쪽이 표면의 형상을 나타내는 AFM 사진이고 오른쪽 이 표면의 전위분포를 나타내는 EFM 사진이다. 정전기력은 dielectric 박막을 투과하므로 이와 같이 표면의 보호막을 제거하지 않고도 각 회로의 로직(logic)이 0인지 1인지를 쉽게 알 수 있다. 이 식에서 볼 때 2ω 성분은 시료표면의 전위 Vs와 무관하므로 lock-in amp를 써서 2ω 성분을 취해 z 방향의 scanner로 feedback을 해주면 C값이 일정할 경우 표면의 형상을 얻을 수 있다. 또한 외부에서 걸어준 직류 전압 Vdc가 시료의 표면전위 Vs와 같을 때 ω 성분의 힘이 0이 되므로 또 하나의 lock-in amp로 ω 성분을 취하여 Vdc 를 조정하여 ω 성분이 없어지도록 하면 이때의 Vdc로부터 표면전위 Vs의 분포도를 얻을 수 있다(그림 8 참조). EFM은 표면 전위뿐 아니라 capacitance를 잼으로써 시료의 dielectric constant나, 시료표면, 또는 표면 바로 밑부분의 carrier density 등을 알아낼 수 있다. 이를 위해서는 추가로 캔틸레버를 고유진동수 ω0부근에서 기계적으로 진동 시키고, non-contact mode AFM에서와 마찬가지로 원자간력에 의해서 변하는 ω0 성분을 z 방향 구동기에 feedback하여 탐침과 시료 사이의 거리를 일정하게 유지한다. 그러면 정전기력에 의한 2ω 성분은 C값의 변화를 나타내게 된다. 8. SCM(Scanning Capacitance Microscope):capacitance를 재는 원자현미경 그림 9. VLSI 소자의 단면을 원자현미경으로 찍은 사진. 왼쪽이 표면의 높낮이를 나타내는 AFM 사진이고 오른쪽이 전하 분포를 나타내는 SCM 사진이다. SCM사진으로부터 effective gate channel width나 junction depth 등 중요한 정보를 얻을 수 있다.(6×6m) EFM과 더불어 시료의 전기적 특성을 재는 유용한 장치로 SCM이 있다. SCM은 capacitance sensor를 탐침에 연결하여 탐침과 시료사이의 capacitance를 잰다. SCM에서 사용되는 cap- acitance sensor는 고주파(∼1GHz) 발진기와 전기적 공진장치로 구성되어 있으며 외부에 연결된 capacitance가 변하면 공진 주파수가 변하는 것에 의해 매우 작은 capacitance(10-19F)까지도 측정할 수 있게 되어 있다. 그러나 나노미터 크기의 탐침과 시료 사이의 capacitance(10-16∼10-18F)는 주위의 stray cap- acitance(10-13F)에 비해 훨씬 작아서 직접 C값을 잴 수 없기 때문에, 낮은 주파수(∼100kHz)로 측정신호를 변조시킨 후 lock-in amp로 dC/dV, 즉 C의 전압에 대한 미분치를 재게 된다. SCM을 사용하면 carrier density를 측정할 수 있으며 그림 9와 같이 반도체 소자의 2차원적 doping profile을 알아내는데 유용하다. 9. 맺는말 앞서 설명된 원자현미경들 물질의 광학적 특성을 빛의 파장 보다 훨씬 작은 분해능(∼50nm)으로 알아내는 NSOM(Near-field Scanning Optical Microscope)[11], 시료표면의 온도분포를 재는 SThM(Scanning Thermal Microscope)[12] 등의 원자현미경이 있는데 아직은 널리 사용되고 있지 않으나 앞으로 발전, 응용 가능성이 많다. 현재 원자현미경은 주로 연구용과 산업용 분석, 측정기기로 쓰이고 있다. 연마된 광학 렌즈나 증착막의 두께 및 굴곡도 측정에서부터 천연 광석의 표면분석에 이르기까지 종래 보다 더 작은 단위로 측정하려는 모든 곳에 활용되고 있다. 산업용으로는 반도체의 표면 계측, defect 분석, 콤팩트 디스크, 자기 디스크나 광 자기 디스크 등에 쓰인 비트(bit)의 모양새 조사 등에 쓰이고 있으며 최근 큰 성장을 보이고 있는 FPD(Flat Panel Display)의 제조 공정 분석 장비로도 활용되고 있다. 특히 미국 SIA(Semiconductor Industry Association)에서 발행하는 National Technology Roadmap에 발표되어 있듯이 반도체 산업에서는 원자현미경을 차세대 정밀 계측 장비로 인정하기에 이르렀다. 원자현미경은 진공 상태나 대기중 뿐 아니라 액체 내에서도 작동하므로 살아 있는 세포 내의 구조나 세포 분열 등을 관찰할 수 있다. 전자현미경이 진공 상태에서만 가능하다는 것을 감안하면 원자현 미경의 응용범위가 대단히 넓다고 할 수 있다. 원자현미경은 관찰, 측정에 그치지 않고 초소형 로보트의 기능도 할 수 있어서 나노리쏘그라피(Nanolit- hography:사진묘사), 나노머시닝(Nanomachining:절삭), 나아가 분자의 합성 등의 연구에 사용되고 있다. 원자현미경은 이와 같이 우수한 기능을 가지고 있지만 아직도 원자현미경 기술은 개발도상에 있다고 볼 수 있다. 계속 새로운 기능이 탄생하고 있으며, 기존의 기능들도 더욱 잘 작동 되도록 하는 연구가 진행 중이다. 주변의 소음과 진동을 차폐 시키고, 온도변화에 의한 열팽창을 줄이고 보정하는 것 등과 같은 기본적인 환경개선부터 인공지능을 사용하여 모든 조작을 자동화 시키고 구동장치를 혁신하여 시료 표면을 빠르고 정확하게 따라가도록 하는 것 등이 연구되고 있다. 원자현미경은 기존의 어떠한 현미경이나 측정 기기보다도 분해능이 좋고 다양한 성질을 측정할 수 있을 뿐만 아니라 거의 모든 환경에서 사용할 수 있기 때문에 차세대 계측기기로 주목 받고 있다.■                            [출처] [펌] 원자 현미경|작성자 연구원킴         [벤처창업 열전] 인터뷰/박상일 파크시스템스 사장

2007-10-21 16:34:52

“스탠퍼드대학에서 박사학위를 따고 나니 서울대학교 교수로 지원하라는 제안이 빗발쳤습니다. 하지만 다른 사람도 할 수 있는 일이 아닌, 저만이 할 수 있는 일을 하기 위해 지난 1988년 벤처기업을 창업했습니다.” 첨단 계측장비인 원자현미경 제작업체인 파크시스템스의 박상일 사장(48·사진)이 처음 창업한 곳은 미국 실리콘밸리였다. 당시 회사명은 자신의 성을 딴 PSI(Park Scientific Instruments)였다. 박사과정 당시 응용물리학을 전공하던 중 원자현미경 개발에 참여했던 게 사업가의 길로 들어서는 계기가 됐다. 회사 설립 후 그는 일본의 NTT, 독일의 막스플랑크연구소 등에 자신의 기술로 만든 원자현미경을 판매하기 시작했다. 89년 48만달러였던 매출액은 90년 177만달러, 91년 368만달러, 92년 595만달러로 매년 80% 이상 성장했다. 하지만 1993년 박 사장에게 최악의 시련이 찾아왔다. 토포매트릭스라는 새로운 경쟁회사가 출현한 것. 토포매트릭스는 1400만달러의 자본금을 내세워 대대적인 마케팅 활동을 펼쳤다. 낮은 가격과 화려한 외양으로 고객사들을 파고들어 PSI는 주문량 급감을 경험해야만 했다. 물론 제품기술력은 PSI측이 월등히 우수했지만 시장에서 제품비교를 하기까지는 장시간이 걸렸다. PSI는 단기자금순환에 압박을 겪으며 그해 5월부터 적자가 나기 시작했다. PSI에 융자를 해줬던 은행에서는 자금상환압박을 가했고 박 사장은 강도 높은 비용절감과 구조조정에 나설 수밖에 없었다. 조업단축을 했고 15% 감원을 결행했다. 이후 니콘, 삼성, KLA, 텐코 등 유수의 IT회사들에 제휴를 맺자는 제안을 하며 자금조달을 위해 백방으로 뛰어다녔고 텐코로부터 투자를 받아 위기를 넘겼다. 이후 탄탄대로를 걸으며 사업확장을 지속하던 박 사장은 1997년에 고국에 복귀하기로 마음을 먹었다. 미국의 한 대기업 계열사에 PSI를 1700만달러를 받고 팔게 됐고 박 사장은 한국으로 돌아와 다시 창업을 할지 교수로 변신할지 두 번째 고민을 시작했다. 박 사장은 “대한민국 정상급 대학들로부터 교수직을 제안받았지만 우리나라에 제대로 된 ‘벤처기업’을 만들어보겠다는 생각에 또 다시 창업을 선택했다”고 당시를 회상했다. 박 사장은 그해 국내에 PSIA를 설립, 미국에서 만든 원자현미경을 국내로 들여와 대학교, 기업 연구소 등에 팔아 회사를 꾸려나갔다. 하지만 4년여 만에 물품을 공급하던 미국 제휴업체가 “경쟁제품은 만들지 말고 판매만 도맡으라”며 연구개발 포기를 종용해 갈림길에 섰다. 고민 끝에 ‘6개월 안에 신제품을 출시한다’는 결심을 굳히고 홀로서기에 나선다. 그는 2001년 하반기부터 이듬해 2월까지 하루도 안 쉬며 연구에 몰두, 지금의 주력제품인 ‘XE-100’ 시리즈를 내놓았다. 시장의 반응은 폭발적이었다. 미국의 기존 제품보다 우수하다는 평가 속에 2003년 일본에서 나노기술 관련 상을 수상했고 2004년 중소기업으로는 유일하게 산업자원부가 주관하는 ‘10대 신기술상’을 탔다. 매출액도 지난해 93억원 수준으로까지 끌어올리며 성공적인 벤처기업으로 자리잡고 있다. 박 사장은 “벤처기업은 무에서 유를 창조해 내는 창조적인 활동”이라며 “국내 대부분의 엘리트인재들이 대기업이나 공무원, 교수 등만을 목표로 삼는 모습이 안타깝다”고 말했다. 또한 “후배들이 남이 갔던 길을 따라가기 보다는 스스로 자신의 길을 창조해내는 모습이 필요한 시대”라고 밝혔다. /yscho@fnnews.com 조용성기자 ======================================================================   (원자현미경의 원리)  원자현미경은 미세한 탐침을 시료 표면 가까이 가져갈 때 생기는 원자간의 상호 작용력을 측정해 시료표면의 형상을 알아내는 장치로 전자현미경이 진공상태에서만 작동되는 데 비해 대기 중에서도 사용할 수 있고 시료표면의 형상뿐만 아니라 시료의 전자기적, 물리적 특성도 알아낼 수 있어 잠재수요가 높다.   원자의 관찰은 원자현미경으로 가능합니다. 원자현미경은 원자를 볼 수 있게 해줄 뿐 아니라 원자를 하나하나 집어 글자도 쓰고, 차세대 반도체나 나노미터 크기의 전자코를 개발하는데도 쓰이고 있습니다. 출처 : http://bric.postech.ac.kr/bbs/daily/krnews/200203_1/20020306_6.html [원자현미경은 1982년 스위스의 IBM연구소 물리학자인 거드 비니히와 하이니 로러가 처음 개발했다. 원자현미경이 얼마나 놀라운 기술이었던지 이들은 이 공로로 불과 4년만인 86년 노벨 물리학상을 받았다. 원자현미경은 바늘로 레코드판을 읽는 것과 비슷하다. 바늘이 달린 긴 막대기 모양의 탐침을 이용해 원자의 표면을 읽는다. 바늘이 원자와 밀어내거나 끌어당기는 등 서로 작용을 하면서 탐침이 움직이는데 이 움직임을 읽어 물체의 표면을 원자 수준으로 볼 수 있다. 국내에서도 최근 PSIA라는 기업이 처음으로 연구용 원자현미경을 개발해 선보였다. 원자현미경이 개발되면서 처음으로 반도체의 재료인 실리콘 웨이퍼의 표면을 볼 수 있게 됐다. 이 장치는 현재 반도체 제조 공정에서 실리콘 웨이퍼 표면의 흠을 찾아내는데 사용되고 있다. 반도체가 작아질수록 이 과정은 더욱 중요해지고 있다. 원자현미경은 원자를 볼 뿐만 아니라 탐침에 원자를 매달아 자유롭게 옮길 수 있다. IBM 연구원들은 1990년 크세논 원자 하나하나를 옮겨 ‘IBM’이라는 글씨를 썼다. 미래에는 탐침으로 반도체 위에 원하는 회로 구조를 그릴 수 있을 것으로 기대된다. 원자현미경은 나노 크기의 센서를 만드는 데에도 쓰일 수 있다. 찾고자 하는 원자나 분자가 하나만 있어도 탐침이 반응해 움직인다.